(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換して負荷を駆動する電力変換装置であって、
スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子と、
前記負荷からの電力を還流するダイオード素子と、
前記スイッチング素子に供給する前記直流電源の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑する平滑用コンデンサと、
前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、
前記制御回路を搭載する制御回路基板と、
前記制御回路基板上に搭載された発熱素子と、
前記スイッチング素子および前記ダイオード素子を搭載し、前記スイッチング素子および前記ダイオード素子で発生したジュール熱を放熱させるための放熱器と、
前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けられたノイズ低減用の電磁シールド板と、
前記制御回路基板および前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定するための金属製ホルダと、
前記制御回路基板に塗布されるとともに、前記電磁シールド板に接触して、前記制御回路基板と前記電磁シールド板とを接続する放熱用はんだと
を備え、
前記発熱素子で発生したジュール熱を、前記制御回路基板に塗布した前記放熱用はんだを経由して前記電磁シールド板から空気中に放熱させるとともに、前記電磁シールド板および前記金属製ホルダを経由して前記放熱器から放熱させる
ことを特徴とした電力変換装置。
【請求項２】
前記発熱素子の近傍に配置され、前記発熱素子から電気的に絶縁された、前記制御回路基板を貫通する放熱用バイアホールと、
前記発熱素子の搭載位置に対応させて前記制御回路基板の内部に設けられ、前記放熱用バイアホールに接続された放熱用内層ベタパターンと
をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記電磁シールド板は、前記電磁シールド板を屈折させる、または、前記電磁シールド板の表面に凹凸を付けることにより、表面積を増やす加工が施されている
ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記発熱素子の近傍に設けられ、前記発熱素子の温度を検出する第１の感温素子と、
前記スイッチング素子に内蔵され、前記スイッチング素子の温度を検出する第２の感温素子と、
前記第１の感温素子からの温度情報と前記第２の感温素子からの温度情報とに基づいて、前記放熱器の強弱を制御する強制冷却装置と
をさらに備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記第１の感温素子からの温度情報に基づいて、前記発熱素子の温度が予め設定された所定の使用温度上限値に達したと判定した場合に、前記発熱素子の動作を抑制または停止させるとともに、前記発熱素子の過熱を知らせる過熱フェイル情報を外部に送信することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記スイッチング素子はワイドバンドギャップ半導体によって構成されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記ダイオード素子はワイドバンドギャップ半導体によって構成されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドから構成されていることを特徴とする請求項６または７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換して負荷を駆動する電力変換装置の製造方法であって、
スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子と前記負荷からの電力を還流するダイオード素子とを放熱器に搭載するステップと、
前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と発熱素子とを制御回路基板に搭載するとともに、前記制御回路基板に放熱用はんだを塗布するステップと、
前記制御回路基板に塗布された前記放熱用はんだに接触させて、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間にノイズ低減用の電磁シールド板を設けるステップと、
前記制御回路基板と前記電磁シールド板と前記放熱器とを金属製ホルダで固定するステップと
を備え、
前記電力変換装置は、前記発熱素子で発生したジュール熱を、前記制御回路基板上に塗布した前記放熱用はんだを経由して前記電磁シールド板から空気中に放熱させるとともに、前記電磁シールド板および前記金属製ホルダを経由して前記放熱器から放熱させる
ことを特徴とした電力変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置およびその製造方法に関し、特に、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子を備えた電力変換装置およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１は、直流電源５の直流電圧を三相交流電圧に変換して交流負荷６を駆動する一般的な電力変換装置の構成を示すブロック図である。交流負荷６としては、例えば、三相交流モータ等がある。この電力変換装置は、スイッチング素子２、ダイオード素子３、スイッチング素子２を制御する制御回路４、および、スイッチング素子２に電力を供給する直流電源５の出力を平滑するための平滑用コンデンサ７を有するスイッチングパワーモジュール１で構成される。
【０００３】
スイッチング素子２とダイオード素子３とは共に６個ずつ設けられている。各スイッチング素子２と各ダイオード素子３とは、それぞれ１つずつが互いに並列に接続されて、それぞれ１つの組を構成している。当該組は２つずつ直列に接続されて、３つの直列体を構成している。当該直列体は、それぞれ、交流負荷６のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続されている。平滑用コンデンサ７は、３つの直列体に対し１つだけ設けられ、当該３つの直列体に並列に接続されているとともに、直流電源５にも並列に接続されている。また、制御回路４は各スイッチング素子２に接続されている。
【０００４】
スイッチング素子２は、直流から三相交流へ電力変換を行うものであり、トランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等が使用される。また、ダイオード素子３は、交流負荷６からの電力を還流するものである。スイッチング素子２およびダイオード素子３の構成材料は主に珪素である。平滑用コンデンサ７は、スイッチング素子２に供給する直流電源５の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑するものである。制御回路４は、各スイッチング素子２のスイッチング動作を制御するものである。スイッチング素子２のスイッチングにより、電力変換装置は、直流から交流への電力変換を行う。制御回路４は、三相交流モータ等の交流負荷６を制御する一般的な回路であるため、内部の構成に関する詳細図示は省略する。
【０００５】
図５は、従来の電力変換装置の内部構成を示す側面断面図であり、図６は、図５の電力変換装置に設けられた制御回路基板１２を示す上面図である。放熱器８は、スイッチング素子２とダイオード素子３を冷却するためのものであり、空冷タイプのものや水冷タイプのものがある。放熱器８の上には、製品を保護するための樹脂製ケース９、スイッチング素子２、ダイオード素子３、金属製ホルダ１０が搭載される。金属製ホルダ１０の上には電磁シールド板１１と制御回路基板１２が搭載され、その上に制御回路基板１２を保護するための樹脂製カバー１３が搭載されて、これらをネジ２１にて共締めしている。
【０００６】
電磁シールド板１１は、アルミや鉄などの金属でできており、スイッチング素子２と制御回路基板１２との間に搭載され、スイッチング素子２にて発生したノイズを制御回路基板１２に伝えないように遮蔽するためのものである。制御回路基板１２には制御回路４が搭載され、その中には電源回路等で使用するＩＣ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等、発熱を伴う素子（以下、発熱素子１４とする）も存在する。この発熱素子１４の発熱を抑えるため、制御回路基板１２上に発熱素子１４の発熱に応じた広い面積の放熱パターン１５を設けている。発熱素子１４の発熱が大きい場合には、その分、広い面積の放熱パターン１５を設ける必要があり、制御回路基板１２のサイズが大きくなってしまうなど、電力変換装置の小型化を実施する上で、大きな障害となっていた。
【０００７】
そのため、例えば特許文献１に記載のように、放熱パターン１５の面積を削減するために、金属筐体等を制御回路基板１２に接触させ、金属筐体等を放熱器として扱うものが提案されている。その場合には、絶縁機能を併せ持つ放熱シートを金属筐体等と制御回路基板１２との間に介在させる必要があり、この絶縁機能を併せ持つ放熱シートは高価で工作性も悪いため、コストアップの要因になっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−２００９４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
以上のように、従来の電力変換装置では、制御回路基板上に搭載された発熱素子の発熱を抑えるため、 発熱素子の発熱に応じた広い面積の放熱パターンを設ける必要があり、制御回路基板の小型化ひいては電力変換装置の小型化を実施する上での大きな障害になるという問題点があった。
【００１０】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、効率よく放熱が行え、かつ、小型化が可能な電力変換装置およびその製造方法を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換して負荷を駆動する電力変換装置であって、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子と、前記負荷からの電力を還流するダイオード素子と、前記スイッチング素子に供給する前記直流電源の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑する平滑用コンデンサと、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、前記制御回路を搭載する制御回路基板と、前記制御回路基板上に搭載された発熱素子と、前記スイッチング素子および前記ダイオード素子を搭載し、前記スイッチング素子および前記ダイオード素子で発生したジュール熱を放熱させるための放熱器と、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けられたノイズ低減用の電磁シールド板と、前記制御回路基板および前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定するための金属製ホルダと、前記制御回路基板に塗布されるとともに、前記電磁シールド板に接触して、前記制御回路基板と前記電磁シールド板とを接続する放熱用はんだとを備え、前記発熱素子で発生したジュール熱を、前記制御回路基板に塗布した前記放熱用はんだを経由して前記電磁シールド板から空気中に放熱させるとともに、前記電磁シールド板および前記金属製ホルダを経由して前記放熱器から放熱させることを特徴とした電力変換装置である。
【発明の効果】
【００１２】
この発明は、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換して負荷を駆動する電力変換装置であって、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子と、前記負荷からの電力を還流するダイオード素子と、前記スイッチング素子に供給する前記直流電源の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑する平滑用コンデンサと、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、前記制御回路を搭載する制御回路基板と、前記制御回路基板上に搭載された発熱素子と、前記スイッチング素子および前記ダイオード素子を搭載し、前記スイッチング素子および前記ダイオード素子で発生したジュール熱を放熱させるための放熱器と、前記スイッチング素子と前記制御回路基板との間に設けられたノイズ低減用の電磁シールド板と、前記制御回路基板および前記電磁シールド板と前記放熱器とを固定するための金属製ホルダと、前記制御回路基板に塗布されるとともに、前記電磁シールド板に接触して、前記制御回路基板と前記電磁シールド板とを接続する放熱用はんだとを備え、前記発熱素子で発生したジュール熱を、前記制御回路基板に塗布した前記放熱用はんだを経由して前記電磁シールド板から空気中に放熱させるとともに、前記電磁シールド板および前記金属製ホルダを経由して前記放熱器から放熱させることを特徴とした電力変換装置であるため、効率よく放熱が行え、かつ、小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態１による電力変換装置を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１による電力変換装置の内部構成を示す側面断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１による電力変換装置の制御回路基板表面を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態１による電力変換装置の制御回路基板裏面を示す平面図である。
【図５】従来の電力変換装置の内部構成を示す側面断面図である。
【図６】従来の電力変換装置の制御回路基板を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１による電力変換装置について説明する。本発明の実施の形態１による電力変換装置の構成は、上述した図１、図５、図６と基本的に同じであるため、以下では、異なる部分を主として説明し、それ以外については上記の図１、図５、図６に関する上述の説明を参照することとする。また、以下に説明する図２〜図４において、図１と同一または相当する部分は同一符号を付して示す。なお、図２は、本実施の形態１の電力変換装置の内部構成を示す側面断面図であり、図３は、本実施の形態１の電力変換装置に設けられた制御回路基板の表面（上面）を示す平面図、図４は、本実施の形態１の電力変換装置に設けられた制御回路基板の裏面（下面）を示す平面図である。
【００１５】
本発明の実施の形態１による電力変換装置は、スイッチング素子２を有するスイッチングパワーモジュール１を備えている。スイッチングパワーモジュール１は、直流から三相交流へ電力変換を行うための、トランジスタ、ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等から構成されたスイッチング素子２と、交流負荷６からの電力を還流するダイオード素子３と、スイッチング素子２に供給する直流電源５の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑する平滑用コンデンサ７と、スイッチング素子２のスイッチング動作を制御する制御回路４と、制御回路４を搭載する制御回路基板１２と、制御回路基板１２上に搭載された発熱素子１４と、スイッチング素子２およびダイオード素子３で発生したジュール熱を放熱させるための放熱器８と、スイッチング素子２およびダイオード素子３や、制御回路４などの内部の部品を保護するための樹脂製ケース９と、スイッチング素子２と制御回路基板１２との間に設けられ、スイッチング素子２にて発生したノイズを制御回路基板１２に伝えないように遮蔽するノイズ低減用の電磁シールド板２３と、制御回路基板１２および電磁シールド板２３と放熱器８とを固定するための金属製ホルダ１０と、制御回路基板１２を保護する樹脂製カバー１３とを備えている。電磁シールド板２３、制御回路基板１２、および、樹脂製カバー１３とは、金属製ホルダ１０に対し、ネジ２１にて共締めされている。なお、制御回路４は、三相交流モータ等の交流負荷６を制御する一般的な回路であるため、内部構成の詳細図示は省略する。なお、本実施の形態１においても、制御回路基板１２に制御回路４が搭載されており、制御回路４の中に存在する、電源回路等で使用するＩＣ、トランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ等、発熱を伴う素子を、発熱素子１４と呼ぶこととする。
【００１６】
また、本実施の形態１においても、図１に示すように、スイッチング素子２とダイオード素子３とは共に６個ずつ設けられている。各スイッチング素子２と各ダイオード素子３とは、それぞれ１つずつが互いに並列に接続されて、それぞれ１つの組を構成している。当該組は２つずつ直列に接続されて、３つの直列体を構成している。当該直列体は、それぞれ、交流負荷６のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に接続されている。平滑用コンデンサ７は、３つの直列体に対し１つだけ設けられ、当該３つの直列体に並列に接続されているとともに、直流電源５にも並列に接続されている。また、制御回路４は各スイッチング素子２に接続されている。
【００１７】
このように、図１に示す、スイッチング素子２、ダイオード素子３、制御回路４、直流電源５、交流負荷６、および、平滑用コンデンサ７の接続構成は、基本的に、背景技術として図１を用いて説明した上述の一般的な電力変換装置と同じである。異なる点は、本実施の形態１においては、スイッチング素子２およびダイオード素子３がワイドバンドギャップ半導体により構成されている点である。ワイドバンドギャップ半導体は、珪素で構成された半導体に比べて、バンドギャップが大きい特徴がある。ワイドバンドギャップ半導体の構成材料としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。このようなワイドバンドギャップ半導体によって構成されたスイッチング素子２やダイオード素子３は、耐電圧が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子２やダイオード素子３の小型化が可能である。
【００１８】
本発明の実施の形態１による電力変換装置においては、図２〜図４に示すように、発熱素子１４が制御回路基板１２上面に搭載されており、発熱素子１４周辺には、発熱素子１４の放熱端子に接続される放熱パターン２２が設けられている。放熱パターン２２は、図５および図６に示した従来の放熱パターン１５と同様に、発熱素子１４の発熱を抑える目的で設けられている。但し、本実施の形態１においては、放熱パターン以外の他の放熱構造によっても発熱素子１４の放熱を行うようにしているため、放熱パターン２２は、図５および図６に示した従来の放熱パターン１５よりも大幅に面積が削減されている。以下に、当該放熱構造について説明する。
【００１９】
まず、本発明の実施の形態１による電力変換装置においては、発熱素子１４が搭載された部分（または、搭載部分の周辺を含む部分）の制御回路基板１２の下面には、放熱用はんだ２０が塗布されている。放熱用はんだ２０は、図４に示すように、後述する放熱用バイアホール１６の部分を除いて、マトリクス状に複数個配置されている。放熱用はんだ２０は、図２に示すように、電磁シールド板２３に接触しており、制御回路基板１２と電磁シールド板２３とを電気的に（熱的に）接続している。発熱素子１４で発生したジュール熱は、制御回路基板１２に塗布された放熱用はんだ２０を経由して電磁シールド板２３から空気中に放熱される。また、当該ジュール熱は、さらに、電磁シールド板２３から、金属製ホルダ１０を経由して、放熱器８に伝熱され、放熱器８からも空気中に放熱される。
【００２０】
また、本発明の実施の形態１による電力変換装置においては、図２に示すように、電磁シールド板２３の一部分が他の部分に比べて突起するように屈折されている。電磁シールド板２３は、アルミや鉄などの金属でできており、屈折加工を施しやすい材質で構成されている。電磁シールド板２３の当該突起部分は、制御回路基板１２の発熱素子１４が搭載された部分（または、搭載部分の周辺を含む部分）に対応する位置に形成されている。当該突起部分を形成することにより、その部分だけが制御回路基板１２の下面に接近し、制御回路基板１２の下面側に塗布された放熱用はんだ２０に接触する構造になっている。電磁シールド板２３の他の部分が制御回路基板１２の下面に対して離間された構成となっている理由は、上述のように、発熱素子１４で発生したジュール熱を電磁シールド板２３から空気中に放熱するため、当該放熱の効率をよくするためである。このように、電磁シールド板２３を屈折する構成としたため、制御回路基板１２に設けられた放熱用はんだ２０と熱的に接続できるとともに、電磁シールド板２３の表面積が、図５に示す従来の平板から構成された電磁シールド板１１に比べて大きくなるので、電磁シールド板からの放熱性を向上させることができる。
【００２１】
なお、さらに放熱性を向上させるために、必要に応じて、制御回路基板１２と電磁シールド板２３とが接触する部分に安価な放熱グリースを塗布してもよい。しかしながら、本実施の形態１においては、後述するように、発熱素子１４周辺に複数の放熱用バイアホール１６を設けるようにし、放熱用バイアホール１６を通じて電磁シールド板２３にジュール熱が伝わる構成としているため、放熱グリースを必ずしも塗布する必要はなく、また、従来においては用いられていた高価で工作性の悪い絶縁放熱シート等を使用する必要もない。
【００２２】
また、本発明の実施の形態１による電力変換装置においては、図２および図３に示すように、発熱素子１４周辺には、発熱素子１４で発生したジュール熱を制御回路基板１２の下面に伝えるための放熱用バイアホール１６が複数個設けられている。本実施の形態１においては、図３に示すように、発熱素子１４の搭載位置の右側に３個、左側に３個の、計６個の放熱用バイアホール１６が設けられている。放熱用バイアホール１６は、図２に示すように、制御回路基板１２を貫通する貫通穴である。また、発熱素子１４の搭載位置の周辺の制御回路基板１２の内部には、発熱素子１４で発生したジュール熱を制御回路基板１２下面に伝えるための放熱用内層ベタパターン１８が設けられている。放熱用内層ベタパターン１８は、発熱素子１４および放熱パターン２２の直下にベタ状に配置されている。放熱用内層ベタパターン１８は、制御回路基板１２の上面および下面に対して、平行になるように、水平に設けられている。放熱用内層ベタパターン１８は、放熱用バイアホール１６に熱的に接続されており、発熱素子１４で発生したジュール熱のうち、制御回路基板１２の内部に吸収された分のジュール熱を、放熱用バイアホール１６を経由して制御回路基板１２下面に伝熱している。放熱用バイアホール１６および放熱用内層ベタパターン１８は発熱素子１４周辺の放熱パターン２２とは接続されておらず、電気的に絶縁されている。但し、熱伝導性をよくするため、放熱用バイアホール１６の内壁は、放熱パターン２２と同一材料（または異なる材料）で構成された放熱パターン２４で覆われて、放熱パターン２４で取り囲まれた配置になっている。なお、放熱用バイアホール１６および放熱用内層ベタパターン１８と放熱パターン２２との間の電気的絶縁方法としては、図２および図３に示す例としては、放熱パターン２２と放熱パターン２４とを接触させずに、それらの間を所定距離だけ離間させることにより、電気的に絶縁している。なお、これに限らず、放熱パターン２２と放熱パターン２４との間に絶縁材料を介在させる構成としてもよい。
【００２３】
さらに、本発明の実施の形態１による電力変換装置においては、図２および図３に示すように、発熱素子１４周辺には、放熱用バイアホール１６の外側に、バイアホール１７が複数個設けられている。バイアホール１７は、放熱用バイアホール１６とは異なり、放熱パターン２２に電気的に（熱的に）接続されている。本実施の形態１においては、図３および図４に示すように、発熱素子１４の搭載位置の右側の放熱用バイアホール１６の外側に３個、左側の放熱用バイアホール１６の外側に３個の、計６個のバイアホール１７が設けられている。バイアホール１７は、図２に示すように、制御回路基板１２を貫通する貫通穴である。熱伝導性をよくするため、バイアホール１７の内壁は、放熱パターン２２がそのまま延長して覆っているため、放熱パターン２２で取り囲まれた構成になっている。このように、バイアホール１７の内壁を覆う放熱パターンと発熱素子１４の周辺に設けられた放熱パターンとが、放熱パターン２２により一体で形成されているため、バイアホール１７は、放熱用バイアホール１６とは異なり、放熱パターン２２に電気的に（熱的に）接続されている構成となっている。
【００２４】
このように、放熱用バイアホール１６は、放熱パターン２２に電気的に接続されているバイアホール１７の直近に配置され、電気的な絶縁も確保しつつ熱伝導性をよくし、発熱素子１４で発生したジュール熱を効率よく制御回路基板１２下面の電磁シールド板２３に伝えるようにしている。
【００２５】
また、放熱用内層ベタパターン１８は、発熱素子１４および放熱パターン２２の直下にベタ状に配置され、放熱用バイアホール１６を経由し、発熱素子１４で発生したジュール熱を効率よく制御回路基板１２下面の電磁シールド板２３に伝えるようにしている。
【００２６】
また、バイアホール１７は、放熱パターン２２に電気的に（熱的に）接続されており、放熱パターン２２が吸収した発熱素子１４で発生したジュール熱を効率よく制御回路基板１２下面に伝えるようにしている。
【００２７】
尚、図２では、４層基板の例を示しているが、さらに多層の基板を使用する場合には、放熱用内層ベタパターン１８の層数を増やすことにより対応すればよい。放熱用内層ベタパターン１８の層数を増やすことにより、熱伝導率が高くなり、より効率よく放熱することができる。
【００２８】
さらに、本発明の実施の形態１による電力変換装置においては、図２および図４に示すように、制御回路基板１２の発熱素子１４および放熱パターン２２搭載部の裏面側には、放熱用バイアホール１６および放熱用内層ベタパターン１８に接続される放熱用ベタパターン１９が設けられている。但し、放熱用ベタパターン１９は、図３と図４とを比較すればわかるように、放熱パターン２２よりもサイズ（大きさ）が小さく、バイアホール１７が設けられている箇所には、設けられていない。また、図４に示されるように、放熱用ベタパターン１９は、バイアホール１７の内壁に設けられた放熱パターン２２とは所定距離だけ離間しており、放熱パターン２２に対しては電気的に絶縁されている。放熱用ベタパターン１９には、図４に示すように、上述した格子状の放熱用はんだ２０が塗布されている。従って、放熱用バイアホール１６および放熱用内層バタパターン１８を経由して伝熱された発熱素子１４からのジュール熱は、放熱用ベタパターン１９を介して、放熱用はんだ２０に伝達される。この放熱用はんだ２０は、部品実装用はんだと同時にペースト状態で印刷され、リフローはんだ付けを実施後、固まった状態になる。この複数の放熱用はんだ２０から、さらに、当該ジュール熱は、電磁シールド板２３に伝わり、電磁シールド板２３から空気中に放熱されるとともに、電磁シールド板２３および金属製ホルダ１０を経由して放熱器８からも放熱される。なお、発熱素子１４が複数個ある場合には、その分だけ、本発明の放熱構造を追加することで対応することができる。
【００２９】
なお、本実施の形態１においては、電磁シールド板２３の表面加工は平らで滑らかに仕上げられたものを例として図２に示しているが、その場合に限らず、電磁シールド板２３の上面及び／または下面に凸凹を付けるなどの、電磁シールド板２３の上から見た場合の設置面積（大きさ）に対する表面積の比を１より大きくする加工を施して、電磁シールド板２３の表面積を増やすようにしてもよい。また、図２に示すように、電磁シールド板２３の一部分を他の部分よりも突起するように屈折（折り曲げ加工）させることによっても、電磁シールド板２３の上から見た場合の設置面積（大きさ）に対する表面積の比が１よりも大きくなるので、そのような屈折加工（折り曲げ加工）を施して、電磁シールド板２３の表面積を増やすようにしてもよい。また、屈折加工の方法としては、図２以外の折り曲げ方でもよく、例えば、蛇腹折りやその変形などのようにしてもよい。このようにして、表面積が増加する加工を施した電磁シールド板２３からは、空気中に放熱される熱量が増え、放熱性能をさらに上げることができる。
【００３０】
また、発熱素子１４で発生したジュール熱を、放熱パターン２２に対して電気的に絶縁された放熱用バイアホール１６および放熱用内層ベタパターン１８を経由して電磁シールド板２３に伝えるため、発熱素子１４と電磁シールド板２３とが電気的にショートすることはなく、絶縁させておくことが可能であり、高価で工作性の悪い絶縁放熱シート等を使用する必要がない。因みに、放熱パターン２２に対して電気的に（熱的に）接続されているバイアホール１７（すなわち、バイアホール１７の内壁に設けられた放熱パターン２２）は、図２に示すように、電磁シールド板２３に接触することなく、離間して設けられているため、こちらも、発熱素子１４と電磁シールド板２３とが電気的にショートすることはなく、絶縁させておくことが可能である。
【００３１】
また、本発明の実施の形態１による電力変換装置においては、図３に示すように、発熱素子１４の近傍に、発熱素子１４の温度を検出するための感温素子２５が取り付けられている。また、図２に示すように、スイッチング素子２には、スイッチング素子２の温度を検出するための感温素子２６が内蔵されている。また、放熱器８には、図２に示すように、放熱器８に対する冷却の強弱を制御するための強制冷却装置２７が設けられている。ここで用いられる放熱器８としては、空冷タイプのものでも、水冷タイプのものでも、どちらでもよい。強制冷却装置２７は、発熱素子１４の近傍に設けられた感温素子２５からの温度情報と、スイッチング素子２に内蔵された感温素子２６からの温度情報とに基づいて、放熱器８に対する冷却の強弱を制御する。このように、強制冷却装置２７により、発熱素子１４およびスイッチング素子２の検出温度に基づく、放熱器８の動作の制御を行うようにした場合には、より省電力で、効率よく、スイッチング素子２やダイオード素子３、発熱素子１４の放熱を行うことができる。但し、強制冷却装置２７は必ずしも設ける必要はない。
【００３２】
また、本発明の実施の形態１による電力変換装置においては、発熱素子１４の温度に対する使用温度上限値を予め設けておき、制御回路４が、発熱素子１４の近傍に取り付けた感温素子２５の温度情報に基づいて、発熱素子１４の温度が使用温度上限値に達したと判定したときには、発熱素子１４の動作を抑制または停止させるようにする。こうすることで、発熱素子１４を熱破壊させることなく保護することが可能になる。また、制御回路４は、外部機器に対して、発熱素子１４の過熱を知らせる過熱フェイル情報を送信することにより、本電力変換装置の異常を外部機器に知らせることができ、異常箇所の特定と異常理由の把握が早期に実施できる。
【００３３】
以上のように、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置は、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置において、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子２と、負荷からの電力を還流するダイオード素子３と、スイッチング素子２に供給する直流電源の電圧変動を抑制し、電圧の跳ね上がり等を平滑する平滑用コンデンサ７と、スイッチング素子２を制御する制御回路４と、制御回路４を搭載する制御回路基板１２と、制御回路基板１２上に搭載された発熱素子１４と、スイッチング素子２およびダイオード素子３で発生したジュール熱を放熱させるための放熱器８と、製品を保護するための樹脂製ケース９と、スイッチング素子２と制御回路基板１２との間に設けたノイズ低減用の電磁シールド板２３と、制御回路基板１２および電磁シールド板２３と放熱器８とを固定するための金属製ホルダ１０と、制御回路基板１２を保護する樹脂製カバー１３を備えた電力変換装置であるため、発熱素子１４で発生したジュール熱を制御回路基板１２上に塗布した放熱用はんだ２０を経由して電磁シールド板２３から空気中に放熱させるとともに、電磁シールド板２３および金属製ホルダ１０を経由して放熱器８に放熱させることができる。このように、本実施の形態１においては、発熱素子１４で発熱したジュール熱を、電磁シールド板２３や放熱器８から放熱できるので、これまで発熱素子１４の発熱に応じて取っていた従来の広い面積の放熱パターン１５を削減することができるため、制御回路基板１２の小型化、ひいては電力変換装置の小型化を実施することが可能となる。
【００３４】
また、本実施の形態１による電力変換装置においては、電気的に絶縁された放熱用バイアホール１６および放熱用内層ベタパターン１８を制御回路基板１２に設け、放熱用バイアホール１６、放熱用内層ベタパターン１８、制御回路基板１２に塗布した放熱用はんだ２０、および、電磁シールド板２３を、発熱素子１４の放熱経路として使用することにより、これまで発熱素子１４の発熱に応じて取っていた従来の広い面積の放熱パターン１５を削減することができるため、制御回路基板１２の小型化、ひいては電力変換装置の小型化を実施することが可能となる。また、放熱用バイアホール１６および放熱用内層ベタパターン１８が電気的に絶縁されているため、発熱素子１４と電磁シールド板２３とが電気的にショートすることはないため、高価で工作性の悪い絶縁放熱シート等を使用する必要がなく、コストダウンが可能となる。
【００３５】
また、スイッチング素子２およびダイオード素子３については、珪素によって形成されたものでもよいが、本実施の形態１においては、珪素に比べてバンドギャップが大きい、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドからなるワイドバンドギャップ半導体により形成するようにした。このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子２やダイオード素子３は、耐電圧が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子２やダイオード素子３の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子２やダイオード素子３を用いることにより、これらの素子を組み込んだ電力変換装置の小型化が可能になる。
【００３６】
また、ワイドバンドギャップ半導体は、電力損失が低いため、スイッチング素子２やダイオード素子３の発熱を大幅に低減することができ、制御回路基板１２上の発熱素子１４で発生したジュール熱をより効率よく放熱器８で放熱させることができるようになり、スイッチングパワーモジュール１内の雰囲気温度も下げることができる。これにより、さらに制御回路基板１２上の放熱パターン２２の面積をより削減することができ、さらなる電力変換装置の小型化を実施することが可能となる。また、ワイドバンドギャップ半導体は、電力損失が低いため、スイッチング素子２やダイオード素子３の高効率化が可能となり、ひいては電力変換装置の高効率化が可能となる。
【００３７】
ワイドバンドギャップ半導体は、さらに、耐熱性も高いため、空冷放熱器の放熱フィンの小型化や、水冷放熱器の空冷化も可能になり、電力変換装置の一層の小型化が可能となる。
【００３８】
なお、スイッチング素子２およびダイオード素子３の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体よって形成されていてもよく、その場合にも、前記の効果を得ることができる。
【００３９】
また、発熱素子１４の近傍に発熱素子１４の温度を感知する感温素子２５を取り付け、この感温素子２５からの温度情報と、スイッチング素子２に内蔵されている感温素子２６からの温度情報をもとに、放熱器８に対する強制冷却装置２７の強弱を制御するようにしたので、無駄のない必要最小限の冷却を行うことが可能となり、より省電力で、効率よく、スイッチング素子２やダイオード素子３、および、発熱素子１４の放熱を行うことができる。
【００４０】
また、発熱素子１４の近傍に取り付けた感温素子２５の温度情報をもとに、発熱素子１４の温度が予め設定された所定の使用温度上限値に達したと判定したときに、制御回路４が、発熱素子１４の動作を抑制または停止させるようにしたので、発熱素子１４を熱破壊させることなく保護することが可能になる。また、発熱素子１４の動作を抑制または停止させるだけではなく、制御回路４が、外部機器に対して、発熱素子１４の過熱を通知する過熱フェイル情報を送信するようにしたので、本電力変換装置の異常を外部機器に知らせることができ、異常箇所の特定と異常理由の把握が早期に実施できる。
【００４１】
また、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の製造方法は、スイッチングにより電力変換を行うスイッチング素子２と交流負荷６からの電力を還流するダイオード素子３とを放熱器８に搭載するステップと、スイッチング素子２のスイッチング動作を制御する制御回路と発熱素子１４とを制御回路基板１２に搭載するとともに、制御回路基板１２の裏面に放熱用はんだ２０を塗布するステップと、スイッチング素子２と制御回路基板１２との間に、制御回路基板１２の裏面の放熱用はんだ２０に接触させるようにノイズ低減用の電磁シールド板２３を設けるステップと、制御回路基板１２と電磁シールド板２３と放熱器８とを金属製ホルダ１０で固定するステップとを備えているので、製造された電力変換装置においては、発熱素子１４で発生したジュール熱を、制御回路基板１２上に塗布した放熱用はんだ２０を経由して電磁シールド板２３から空気中に放熱させるとともに、電磁シールド板２３および金属製ホルダ１０を経由して放熱器８から放熱させることができる。これにより、発熱素子の周辺に設けていた面積の広い放熱パターン１５が不要となるので、制御回路基板１２の小型化、ひいては、電力変換装置の小型化を実施することが可能となる。また、高価で工作性の悪い絶縁放熱シート等を使用する必要がないため、コストダウンが可能となる。
【符号の説明】
【００４２】
１  スイッチングパワーモジュール、２  スイッチング素子、３  ダイオード素子、４  制御回路、５  直流電源、６  交流負荷、７  平滑用コンデンサ、８  放熱器、９  樹脂製ケース、１０  金属製ホルダ、１１  電磁シールド板、１２  制御回路基板、１３  樹脂製カバー、１４  発熱素子、１５  放熱パターン、１６  放熱用バイアホール、１７  バイアホール、１８  放熱用内層ベタパターン、１９  放熱用ベタパターン、２０  放熱用はんだ、２１  ネジ、２２  放熱パターン、２３  電磁シールド板、２４  放熱パターン、２５，２６  感温素子、２７  強制冷却装置。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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